单片机课程的开拓型实验探索——电子琴_张蓓.pdf

第 卷第 期 年 月电气电子教学学报 收稿日期：；修回日期：基金项目：北京航空航天大学教改项目（）第一作者：张蓓（），女，博士，副教授，主要从事光电仪器的研究工作，：通信作者：张静（），女，讲师，主要从事嵌入式信号处理的研究工作，：单片机课程的开拓型实验探索 电子琴张 蓓 朱昕昀 强 生 卢 懿 苏雨馨 张 静（北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京）（北京航空航天大学 士谔书院，北京）摘要：为培养学生自主学习创新能力和软硬件协同综合能力，将开拓型学习模式引入到“单片机原理及应用”课程，来解决以往课程中学生被动学习而导致的学习兴趣较弱，缺乏自主学习意识的问题。在满足基本单片机知识学习的基础上，在实验教学中更多地引导学生从实际出发，自主选择研究问题并设计单片机实现功能，将所学的单片机知识充分运用到项目实践当中，从而提高学生解决复杂工程问题的能力。关键词：单片机；原理及应用；实验教学；开拓型学习中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：（，）（，）：，：；随着新一轮科技革命和产业革命的发展，知识信息的发展速度日渐加快。以单片机技术为例，自上世纪七八十年代单片机技术提出以来，单片机技术经历了繁荣的发展。现有的单片机种类繁多，如、等，它们在智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统等领域有着诸多的应用。这些单片机不仅拥有不同的硬件结构，而且在编程语言上也有着诸多不同。这无疑对目前的单片机教学提出了挑战，使得教学不能仅仅围绕一种单片机进行单纯的记忆性学习，而要求学生在掌握基本的单片机知识上，拥有较强的自主创新学习能力，能够根据实际需要，自主学习所需要的单片机知识来解决实际问题。以前的“教材加教学”型教学方式虽然能向学生系统地讲解单片机结构和语法的教学模式，使学生能较好地掌握单片机的细节知识，但是这种侧重于理论和简单跑实验例程的教学模式往往导致学生对单片机的理解停留在理论层面，而且学习兴趣较低，难以将所学知识与具体实践操作相结合，同时在自主创新学习方面有所欠缺，难以满足新型工科培养对实践型、创新型和综合型人才的要求。为提高学生的自主学习创新能力同时提高学生的学习兴趣，在“单片机原理及应用”课程中引入了开拓型学习模式，即在教授基本的单片机知识基础上，让学生自主选择研究问题并设计面向实际需要的研究课题。这使得学生需要有目的性地自主拓展学习所需单片机模块的操作，并将其运用到复杂的工程问题解决当中。不同于以往以课堂教学为主的教学模式，这种开拓型的教学模式更加注重学生的自主学习创新能力和软硬件结合实现能力；同时能充分调动学生的学习积极性。以北京航空航天大学开设的“单片机原理与应用”实践类为例，阐述这类实践教学课程在教学过程中遇到的问题及解决方案。教学设计理念 教学安排“单片机原理与应用”课程共计 个学时，分为理论教学部分（学时）、实验教学部分（学时）和开拓型自主实验部分（学时）。理论教学部分主要简单介绍了单片机的基本原理和发展概况，以及单片机开发环境的配置。实验教学部分，更多地以例程学习的模式向学生介绍了如何在单片机上实现 流水灯、串口通信、矩阵键盘扫描、数码管显示等基本功能，让学生边学习边实践，并通过自主更改和组合例程的方式考察了学生对这些基本功能的掌握情况。最后下发了单片机其他拓展功能的学习资料，如单片机蜂鸣器模块的使用等，学生可以根据自己的兴趣爱好开拓合适的课题，规划好所需要实现的功能，完成综合性课题。开拓型实验学习指导理念（）重视基础知识，强调开拓型自主学习。在该课程教学中，既重视单片机基础知识的教学，但不拘泥于细节，而是更多地以模块化教学方式向学生讲解单片机的基本功能的实现。在此基础上，更强调拓展型学习模式让学生根据自己需要，充分调用所使用单片机的各种拓展功能，并通过自主学习这些拓展功能的实现，现学现用，融入到自己的项目。（）以实际问题为导向，鼓励创新。在综合实验环节，鼓励学生结合生活实际提出设计课题，并根据实际生活需要和单片机能实现的功能基础上，对实现功能进行简化和完善。同时鼓励学生对所选课题进行深入调研，在市场上现有产品功能的基础上，对产品功能进行创新。开拓型实验教学实践在明确了课程设计的指导方针后，以电子琴为例，阐述如何完成开拓型实验教学任务。在通过单片机实现电子琴的过程中具体需要考虑以下问题：（）明确电子琴需要实现的模块及其对应的基本功能，并通过自主拓展学习所需要调用的模块知识。（）在基本功能实现的基础上，根据实际需要进行功能拓展，如播放存储在单片机中的乐曲以及录制演奏的歌曲等。（）编程实现对应的功能模块并对其进行整合调试。电子琴基本功能的实现图 展示了简单的电子琴所需要实现的基本模块及其功能。简单的电子琴至少需要实现如下基本功能：图 电子琴基本模块（）拥有一个键盘，能够识别并记录 个不同的音调输入；（）实现声音的输出，能根据输入的 个不同的音调输出对应频率的声音。实验中，使用的单片机为飞思卡尔公司的 开发板。为实现上述基本功能，需要使用单片机中的：（）矩阵键盘扫描模块，利用单片机上的 矩阵键盘中的 个按键来模拟电子琴的七个不同音调按键；（）延时函数，通过调整延时函数来阐述不同频率的方波信号来模拟不同频率的音调输出；（）蜂鸣器模块，将不同频率的方波信号输入无源蜂鸣器中实现声音信号的输出。其中矩阵键盘扫描模块和延时函数是在实验教学中所教授的内容，而蜂鸣器模块则需要学生进行自主拓展学习来学会其软硬件调用。电子琴拓展功能的实现图 展示了电子琴拓展模块及其基本功能和对应所需要的单片机模块，包括：（）节拍控制。通过控制电子琴的声音输出时间实现电子琴声音输出的节拍控制。（）演奏乐曲。可以提前向电子琴中存储乐曲的音调、节拍信息来演奏乐曲。这要求对电子琴的延时函数和蜂鸣器模块进行整合，同时还需要自主拓展学习结构体数据类型的使用原理来使整个模块的软件结构变得更为简洁。（）存储乐曲。通过电子琴键盘按键录入所第 期张蓓，等：单片机课程的开拓型实验探索 电子琴需要存储的乐曲的声音信息实现乐曲的录入。这需要调用单片机的按键模块来表征录入乐曲的开始和结束，同时调用矩阵键盘扫描模块来模拟按键。图 电子琴拓展模块 模块实现展示）电子琴键盘图 展示了电子琴键盘的实现原理：通过单片机上的 矩阵键盘来模拟电子琴的七个不同的按键来对应七个不同的音调输入。为了减少 口的占用，将按键排列成矩阵形式。通过读取 矩阵键盘的行 列电平高低来判断按键是否被按下以模拟电子琴的键盘。图 电子琴键盘实现）电子琴音调输出声音音调由发声体发声的频率决定。由于实验中使用的蜂鸣器为无源蜂鸣器，无源内部不带震荡源，需要通过不同频率的方波信号去驱动它。实验中通过执行空指令的 循环延时函数来控制输入方波低电平和高电平的时间。具体来说，由于单片机的机器周期远小于所需要的方波信号的周期，且对于执行确定次数的 循环指令，其延时时间基本一致。因此可以通过控制 循环执行空指令的次数来确定方波信号高低电平时间从而产生不同频率的方波信号，音调输出原理如图 所示。图 音调输出原理）节拍控制实际乐曲演奏中，加入节拍信息能使得乐曲的演奏更为真实。而这一信息可以通过改变延时函数的参数来实现。一般常用的音符是全音符、音符、音符或 音符，在实验中，我们先确定执行全音符所需要的 循环空指令的次数，然后通过简单的除法关系来确定 音符、音符或 音符对应所需的 循环次数来实现对节拍的控制。）演奏乐曲演奏乐曲需要对电子琴的音调输出模块和节拍控制模块进行整合。但如果仅是单纯地对这两个模块进行拼接，会导致代码冗余。这时候如果使用如图 所示的结构体数据类型，我们可以充分发挥其优势而使代码变得简洁易读。图 音符结构体函数）存储乐曲图 展示了录制乐曲的原理。实验中，我们使用按键开关控制录制的开始与结束。当按键 被按下时，单片机自动进入录制程序。此时所有的音符输入都会被存储在相应的存储区。当按下按键 后，单片机跳出录制程序，乐曲录制完成。图 乐曲录制实现 结语在常规单片机教学模式的基础上，探索了如何积极发挥学生自主学习能力的开拓型实验教学模式。以单片机“模拟”电子琴的综合实验模块为例，综合了学生自主选题、自主设计、自主实现简易电子琴的按键发声与乐曲录制功能，具有较强的实电气电子教学学报 第 卷践性和创新性。从课堂效果来看，学生积极性很高，在设计过程中以“摸着石头过河”的心态进行探索与尝试，在系统研发过程中分工协作，交流创新，积极学习相关知识，电子琴实验的完成度很高。同时提高了自身学科创新与工程实践意识，为今后的科研活动奠定了良好的基础。参考文献吴奕瑶，靳志颖 浅谈 单片机的应用与发展 科学大众（科学教育），（）：黄广林 我国单片机技术的应用及发展趋势 电子技术与软件工程，（）：李新奇 单片机的应用与发展 电子世界，（）：盛华 对单片机在电子领域当中的应用 电子技术与软件工程，（）：张宏 单片机的发展趋势及其在设备自动化系统改造中的应用 电子制作，（）：王恒，桑元俊 嵌入式系统教学中的若干问题与对策分析 电气电子教学学报，（）：，王欣，张凯婷 单片机原理及应用实验教学改革与研究 中国现代教育装备，（）：雷媛媛 单片机实验教学平台的改进设计与实现电子世界，（）：武颖丽，吴振森，李平舟“开拓型 渐进式”综合性实验教学模式探讨 实验技术与管理，（）：第 期张蓓，等：单片机课程的开拓型实验探索 电子琴